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神舟十二号载人飞船发射成功!国网太空电力公司呼之欲出
点击数: 发布时间:2021-06-17

6月17日9时22分,航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波乘坐的神舟十二号载人飞船发射升空。按计划,他们将前往空间站天和核心舱驻留三个月。

进入空间站之前,宇航员们主要待在飞船中。一般来说,载人飞船可以采用太阳能发电、核能发电、燃料电池和蓄电池等方式供电。用哪种方式供电,要根据载人航天器的用电功率大小、在太空停留时间的长短等因素来决定。

空间太阳能电站可以用来收集、转化空间太阳能,并以无线电波的形式将电能传输到地面。该类电站的发电功率可达1-5GW,发电量与地面核电站相当。


据介绍,神舟十二号的电力系统主要是由太阳电池翼和储能电池构成,太阳电池翼能将太阳能转化为电能供飞船使用。

公开数据显示,神舟九号飞船的功率只有1800瓦,相当于一台普通家用空调或者是一台功率高点的微波炉的功率。一天飞下来,这么一个“大家伙”的耗电量只有40多度。

空调or微波炉


天和核心舱:太阳电池翼可能和你家房子差不多大

配置豪华的天和核心舱用电量可就不小了。它的供电系统和飞船其实差不多,但“块头”要大很多,主要由以下几个部分组成:

能量来源:太阳

发电担当:柔性太阳电池翼

储能担当:锂离子蓄电池


▲天和核心舱内部。(图片来自:中国航天科技集团)

天和核心舱配有一组发电能力为18000 瓦的太阳电池翼,单翼面积67 平方米,双翼面积130多平方米,可能和你家房子面积差不多大了。


▲ 太空空间站示意图。(图片来自:中国航天科技集团)

在光照区,太阳电池翼将太阳能转化为电能,供整舱使用,同时为锂离子蓄电池储存能量。在太阳无法照射的阴影区,蓄电池负责为整个舱体供电。电池采用陶瓷隔膜, 具备良好的防止内部短路性能;同时,电池组内使用阻燃材料,防止因高温引发燃烧,很安全。


▲神舟载人飞船与空间站天和核心舱、天舟货运飞船组合体交会对接。(图片来自:中国航天科技集团)

这个强大的电源系统,简单来说,就是“太阳能发电加电储能”的形式,高效又清洁。


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日前,中国航天科技集团公司五院科技委主任李明研究员向《科技日报》表示,“经过十余年持续研究,中国在空间太阳能电站方面已经大幅缩小了与国际先进国家的水平,进入世界前列。如能保持并进一步加大研发力度,中国有望成为世界首个建成有实用价值空间太阳能电站的国家。”


空间太阳能电站即一种用来收集、转化空间太阳能,并以无线电波的形式将电能传输到地面电网的发电系统。该类电站的发电功率可达1-5GW,发电量与地面核电站相当。



空间太阳能示意图 


与地面电站相比,空间太阳能电站的太阳能电池板可以直接接触太阳光而不受大气阻隔,据日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)估算,位于太空中的太阳能电池板所接受的太阳光强度为地面上的1.4倍。同时,空间太阳能电站可以摆脱昼夜和天气影响,实现24小时不间断供电最关键的是,该电站不受电网限制,可以通过无线电波直接向有用电需求的地区供电。


早在1968年,美国工程师彼特·格拉斯就提出了空间太阳能电站概念。在格拉斯的设想中,人们用火箭将总面积约50平方公里的太阳能电池板阵列送入地球同步轨道,并在太空中完成组装工作。电站建成后,电池板将通过不断调整角度以确保电池板时刻面对太阳。



美国国家航空航天局(NASA)在上世纪90年代的技术基础上构想的空间太阳能发电站 


在过去的50年间,包括美国、日本、俄罗斯、欧盟和中国等多个国家的研究人员一直在论证空间太阳能发电技术的可行性,并试图解决一系列建造空间太阳能电站必须面对的难题,例如,如何进行无线电波传输和接收,如何确保无线电波传输的准确性,如何使空间电站发出无线电波与地面的网格状天线保持同步。



NASA在2011年提出的空间太阳能发电站构想示意图


2008年,美国和日本两国的科研人员取得了突破,他们在夏威夷两座相距90英里的海岛上,成功实现了微波级能量的无线远距传输,这个距离相当于从太空轨道传送能量到地面所要穿透的大气层厚度。


日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)也成功完成了能量传输模拟实验,研究人员从高约200米的塔顶向地面上一个直径仅为1厘米的圆形目标发射高能量激光束,并成功击中目标。该实验的成功证实了无线电波的管理和控制是可行的。


另外,JAXA计划实现无线电波电能输送的太空测试,即用一个小卫星在地球低轨道向地面的微波接收器发送几个千瓦的能量。JAXA方面表示,希望在2021年实现100kW的传输,到2028年实现200MW传输。



JAXA用于能量传输模拟实验的高塔 


随着无线电波传输与接收技术取得突破,包括轻质建材、全自动计算机系统在内的卫星技术的提升,以及太阳能电池板光电转换效率的提高,空间太阳能电站成为现实。


目前,日本政府已经发起了太阳能电站项目,由JAXA主导。按照JAXA在2014年公布的规划,日本计划耗资2万亿日元(约合210亿美元),在地球静止轨道上建造年装机规模约1GW的商业空间太阳能电站,该项目预计将在2030年完成 。


2011年,专家对于空间太阳能电站预估造价还在3000亿-10000亿美元左右。


同时,曾在JAXA任职的教授佐佐木(Suzumu Sazaki)还表示,日本计划在东京湾海港建造一个3公里长的人造岛屿。这座岛屿将布设50亿个天线,用于传输和接收来自空间太阳能电站的微波能量并将其转换成电能。



JAXA提出的空间太阳能电站构想示意图


就中国而言,自2008年起将空间太阳能电站研发工作纳入国家先期研究规划。近年来,提出了平台非聚光型、二次对称聚光型、多旋转关节以及球型能量收集阵列等空间太阳能电站方案,同时在无线能量传输等关键技术方面取得了重要的进步。


除了技术,空间太阳能电站的建设、运营还需要巨额的投资、广阔的市场以及环境、政策等因素配合,综合多方因素,各国纷纷把目光投向中国,认为中国应该在该领域发挥重要的牵引作用。中国航天科技集团公司五院研究员王立曾对《科技日报》表示,“在航天领域,中国载人航天、深空探测、重型运载火箭、空间站等技术与国际先进水平相比,还存在较大的差距。”


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